LabVIEW連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜課程設(shè)計

1、 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計專用紙 No24成 績 評 定 表學(xué)生姓名陳彥飛班級學(xué)號1203020117專 業(yè)測控技術(shù)與儀器課程設(shè)計題目連續(xù)時間抽樣信號的頻譜評語組長簽字：成績?nèi)掌?2015 年 07 月 20 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院自動化與電氣工程專 業(yè)測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名陳彥飛班級學(xué)號1203020117課程設(shè)計題目連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜實踐教學(xué)要求與任務(wù):1、學(xué)習(xí)LABVIEW軟件知識及應(yīng)用2、學(xué)習(xí)并研究信號分析與處理課題有關(guān)理論3、利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號分析與處理課題4、寫出課程設(shè)計報告,打印程序，給出運行結(jié)果工作計劃與進(jìn)度安排:第一周：周一：1、布置課程設(shè)計任務(wù)、

2、要求 2、每人一題 周二-周五：利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號分析與處理課題：1、學(xué)習(xí)LABVIEW軟件知識及應(yīng)用 2、學(xué)習(xí)并研究信號分析與處理課題有關(guān)理論 3、利用LABVIEW編程，完成相應(yīng)的信號分析與處理課題第二周：周一-周四： 1、上機(jī)編程、調(diào)試 2、檢查編程、運行結(jié)果 3、撰寫課程設(shè)計報告書 周五： 答辯，上交報告。指導(dǎo)教師： 2015年07月06日專業(yè)負(fù)責(zé)人：2015年07月06日學(xué)院教學(xué)副院長：2015年07月06日目 錄1 引言. . . 12 虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW入門. . 22.1 LabVIEW介紹. . 22.2利用LabVIEW編程完成習(xí)題設(shè)計. .

3、 .53利用LabVIEW實現(xiàn)連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜的設(shè)計.173.1連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜的基本原理. .173.2連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜編程設(shè)計及實現(xiàn).173.3運行結(jié)果及分析. . .174總結(jié). . .285參考文獻(xiàn). . .28241引言在人類認(rèn)識自然改造自然的過程中，信息發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。信息一般泛指消息、情報、指令、數(shù)據(jù)、信號等。信號作為信息的重要組成部分，千百年來廣泛的存在于我們的生產(chǎn)、生活的各個方面。抽象的信息通過聲音、圖像、文字、顏色等這些我們可以實實在在感覺的到的形式傳遞信息。因此，如何從這些實實在在的感覺到的東西中提取出信息就成為我們能否獲取

4、信息的關(guān)鍵。因此我們對信號快速準(zhǔn)確的分析處理能力決定著我們獲取信息的能力。隨著人類社會的快速發(fā)展和科技的進(jìn)步，需要處理的信息量越來越大，信號的分析處理方式也越來越多樣化。傳統(tǒng)儀器不斷發(fā)展，各種功能強(qiáng)大的儀器層出不窮。虛擬儀器作為新型的信號處理分析儀器也迅速發(fā)展起來。較傳統(tǒng)儀器而言，虛擬儀器靈活方便，功能更加多樣化，并且用戶可以根據(jù)自己的需要自行定制功能，成本低廉但數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。因此越來越受到人們的歡迎。虛擬儀器的設(shè)計與使用對我們有著越來越重要的作用。本次課程設(shè)計就是對這種能力的一種培養(yǎng)。2 虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW入門2.1 LabVIEW介紹LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國

5、國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設(shè)計平臺的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。圖2-1 啟動界面與 C 和basic一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制

6、、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。圖2-2創(chuàng)建項目 圖2-3控件 圖2-4 函數(shù)與其他基于文本的程序設(shè)計語言相比，LabVIEW具有如下特點：（l）直觀、易學(xué)易用。與其他計算機(jī)編程語言相比

7、，圖形化編程工具LabVIEW有一個重要的不同點：不采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而使用圖形化編程語言G編寫程序；用框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼。因而可在很短的時間內(nèi)被掌握并應(yīng)用到實踐中去。 圖2-5 前面板圖 圖2-6 程序框圖（2）通用編程系統(tǒng)。LabVIEW的功能并沒有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點。LabVIEW有一個可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫。該函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其通過程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，

8、可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。（3）模塊化。LabVIEW的模塊化體現(xiàn)在兩個方面。首先，LabVIEW中使用的基本節(jié)點和函數(shù)等就是一個個小的模塊，可以直接使用；另外，由LabVIEW編寫的程序即虛擬儀器模塊，除作為獨立程序運行外，還可作為另一個虛擬儀器模塊的子模塊供其他模塊程序使用。2.2 利用LabVIEW編程完成習(xí)題設(shè)計1.設(shè)計一個簡單的正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)圖2-7習(xí)題2.1 前面板圖圖2-8習(xí)題2.1 程序面板圖2.新建一個VI，進(jìn)行如下練習(xí)：（1）任意放置幾個控件在前面板，改變它們的位置、名稱、大小、顏色等等。 （2）在V

9、I前面板和后面板之間進(jìn)行切換。（3）并排排列前面板和后面板窗口。圖2-9習(xí)題3.1 前面板圖 圖2-10習(xí)題3.1 程序面板圖3. 編寫一個VI求三個數(shù)的平均值圖2-11習(xí)題3.2前面板圖圖2-12習(xí)題3.2程序面板圖4. 寫一個VI判斷兩個數(shù)的大小，如右圖所示：當(dāng)AB時，指示燈亮圖2-13習(xí)題4.1前面板圖圖2-14習(xí)題4.1程序面板圖5. 寫一個VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串和浮點數(shù)。圖2-15習(xí)題4.2前面板圖 圖2-16習(xí)題4.2程序面板圖6.寫一個溫度監(jiān)測器,當(dāng)溫度超過報警上限，而且開啟報警時，報警燈點亮。圖2-17習(xí)題4.3前面板圖圖2-18習(xí)題4.3程序面板圖7. 給定

10、任意x, 求如下表達(dá)式的值： y=x5+cosxex；圖2-19習(xí)題4.4前面板圖圖2-20習(xí)題4.4程序面板圖8.利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計算for循環(huán)產(chǎn)生一個長度為20000點的隨機(jī)波形所需的時間。圖2-21習(xí)題5.1 前面板圖圖2-22習(xí)題5.1 程序面板圖9為第4章習(xí)題4添加一個While循環(huán)和定時器，實現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測。圖2-23習(xí)題5.2前面板圖圖2-24習(xí)題5.2程序面板圖10. 計算學(xué)生三門課（語文，數(shù)學(xué)，英語）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績等級。要求輸出等級A,B,C,D,E。90分以上為A，8089為B，7079為C，6069為D，

11、60分以下為E。圖2-25習(xí)題5.3前面板圖圖2-26習(xí)題5.3程序面板圖11. 為第5章的習(xí)題2連續(xù)溫度采集監(jiān)測添加報警信息，當(dāng)報警發(fā)生時輸出報警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。 圖2-27習(xí)題6.1前面板圖 圖2-28習(xí)題6.1程序面板圖12. 將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個新的輸出字符串，輸出的字符串是一個GPIB命令字符串，可以用來與串口儀器進(jìn)行通信。圖2-29習(xí)題6.2 前面板圖圖2-30習(xí)題6.2 程序面板圖13. 用FOR循環(huán)創(chuàng)建一個數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組圖2-31習(xí)題6.3前面板圖圖2-32習(xí)題6.3程序框圖14. 利用簇模擬汽車控制，如

12、右圖所示，控制面板可以對顯示面板中的參量進(jìn)行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速油門*100，檔位控制時速,時速檔位*40，油量隨VI運行時圖2-33習(xí)題6.4前面板圖圖2-34習(xí)題6.4程序面板圖15. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個0到5V的采樣信號，每200ms采一個點，利用實時趨勢曲線實時顯示采樣結(jié)果。 圖2-35習(xí)題7.1前面板圖圖2-36習(xí)題7.1程序框圖16. 在習(xí)題1的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號采集，此路電壓信號的范圍為5到10V。圖2-37習(xí)題7.2 前面板圖圖2-38習(xí)題7.2 程序面板圖17. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個0到5V的采樣信號，每200ms采一個點，共采集50個點，采集完后一次性顯

13、示在Waveform Graph上。 圖2-39習(xí)題7.3 前面板圖 圖2-40習(xí)題7.3 程序面板圖18. 在習(xí)題3的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號采集，此路電壓信號的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個點。采樣完成后，將兩路采樣信號顯示在同一個Waveform Graph中。 圖2-41習(xí)題7.4 前面板圖 圖2-42習(xí)題7.4程序面板圖3利用LabVIEW實現(xiàn)連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜的設(shè)計3.1 連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜的基本原理1、時域抽樣定理抽樣定理的說明：一個頻譜受限的信號f(t)，如果頻譜只占據(jù)-wnwn的范圍則信號f(t)可以用等間隔的抽樣值唯一地表示。而抽

14、樣間隔必須不大于12fn（其中wn=2fn），或者說，最低抽樣頻率為2fn.對于抽樣定理，可以從物理概念上作如下解釋。由于一個頻帶受限的信號波形絕不可能在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生獨立的、實質(zhì)的變化，它的變化速率受到最高頻率分量wn的限制。因此，為了保留這一頻率分量的全部信息，一個周期的間隔內(nèi)至少采樣兩次，即必須滿足ws2wn或fs2fn.2、時頻域轉(zhuǎn)換時域波形變?yōu)轭l域波形需要經(jīng)過傅里葉級數(shù)和傅里葉變換實現(xiàn)。傅里葉變換，表示能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦或余弦函數(shù)）或者他們的積分的線性組合。在不同的領(lǐng)域中傅里葉變換有不同的變體形式。傅里葉變換也是一種分析信號的方法。將時域信號轉(zhuǎn)變成為頻率

15、域。傅里葉級數(shù)展開式:ft=a0+a1cosw1t+ b1sinw1t+a2cos2w1t+ b2sin2w1t+ancosnw1t+bnsinnw1t+ =a0+n=1ancosnw1t+bnsin(nw1t)傅里葉變換公式:F(W)=Fft=-+fte-itdt3.2 連續(xù)時間信號時域抽樣信號的頻譜的編程設(shè)計及實現(xiàn)掌握了連續(xù)時間信號時域抽樣以及頻譜分析的方法之后。我們開始進(jìn)行編程設(shè)計。設(shè)計主要包括兩大部分，即前面板的設(shè)計和程序框圖的設(shè)計。以下分別進(jìn)行介紹。1、 前面板的設(shè)計前面板是進(jìn)行人機(jī)交互的主界面，各種參數(shù)的設(shè)置主要在前面板進(jìn)行。本設(shè)計，我們對四種常見信號:正弦波、方波、鋸齒波、三角波

16、進(jìn)行分析處理，因此需放置四個單選按鈕對四種波形進(jìn)行選擇，另外需要顯示四種狀態(tài)下的波形，即連續(xù)時間信號時域譜、連續(xù)時間信號的抽樣信號時域譜、連續(xù)時間信號頻譜、連續(xù)時間時域抽樣信號的頻譜。通過對比進(jìn)行分析。為此，我們在前面板放置四個波形圖控件，分別顯示四種狀態(tài)的波形。除顯示波形外，我們還應(yīng)該能夠自行調(diào)節(jié)各種參數(shù)，以實現(xiàn)在不同狀態(tài)下對信號進(jìn)行抽樣和頻譜分析，需要在前面板放置數(shù)值輸入控件。這里，我們將信號的參數(shù)分為兩大類：原信號參數(shù)設(shè)置和抽樣信號參數(shù)設(shè)置。原信號參數(shù)輸入部分具體包括兩個旋鈕，分別設(shè)置頻率和幅值。兩個數(shù)據(jù)輸入框，以便進(jìn)行頻率和幅值的精準(zhǔn)輸入設(shè)置。另外再放置五個數(shù)據(jù)輸入框，分別對信號的相位

17、、偏移量、采樣點數(shù)采樣頻率和FFT點數(shù)進(jìn)行設(shè)置。一個相位重置開關(guān)重置信號的相位。抽樣信號參數(shù)設(shè)置主要是對抽樣信號進(jìn)行操作，包括抽樣信號的頻率、抽樣信號的相位，以及FFT點數(shù)設(shè)置等。最后有一個STOP按鈕以便隨時停止對信號分析。效果圖如下：圖3-1 前面板設(shè)計圖2、 程序的設(shè)計程序的設(shè)計主要劃分為三大模塊：信號產(chǎn)生模塊，信號處理模塊，波形顯示模塊。（1） 信號產(chǎn)生模塊信號產(chǎn)生模塊采用了LabVIEW函數(shù)庫中提供的波形生成函數(shù)實現(xiàn)。包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波及其他的函數(shù)波形。這里我們主要使用了四種常見信號作為原信號，即:正弦波、三角波、方波、鋸齒波。抽樣信號則采用頻率、相位可調(diào)的矩形脈沖抽樣

18、。 圖3-2波形生成模塊（2） 信號處理模塊X1*X2 信號處理模塊主要是原信號與抽樣信號的相乘以及信號的傅里葉變換。圖3-3 信號處理模塊（3） 波形顯示模塊 波形顯示模塊主要是波形圖（Waveform Graph）。圖3-4 波形顯示模塊最終程序設(shè)計框圖如下所示：圖3-5 程序設(shè)計框圖3.3 運行結(jié)果及分析1、 正弦波圖36 正弦波效果圖2、 方波圖37方波效果圖3、 三角波圖38三角波效果圖4、 鋸齒波圖39鋸齒波效果圖結(jié)果分析：在以上四種的狀態(tài)下，波形均與預(yù)期理論波形一致，課程設(shè)計要求也已達(dá)到。4 總結(jié)本次課程設(shè)計已經(jīng)完成，設(shè)計的過程比較順利。雖然過程中遇到了一些問題如設(shè)計軟件的安裝、軟件入門、設(shè)計思路的確定等問題。但是在經(jīng)過自己在圖書館看書學(xué)習(xí)，在網(wǎng)上查找資料，與網(wǎng)友的討論后大都得到了解決。一些解決不了的問題也在老師的指導(dǎo)和啟發(fā)下以及與同學(xué)的討論中得到了解決。動手動腦，互相討論，大膽嘗試，這個過程讓我學(xué)到了很多，加深了我對課上所學(xué)知識點的理解，提高了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，也激起了我繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。此次設(shè)計總的來說是成功的，各項功能均已實現(xiàn)，預(yù)期要求已經(jīng)達(dá)到。不滿足是向上的車輪。認(rèn)真思考總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，我的設(shè)計還有很多值得改進(jìn)的地方。首先，設(shè)計的靈活性不夠。該設(shè)計能夠處理的信號種類有限，不具有普遍適用性。對于不規(guī)